哈伯望遠鏡10大貢獻

評估哈伯與天文學過去16年半的歷史,許多研究人員認定那是自己研究領域的黃金年代。

撰文/利維歐(Mario Livio)
翻譯/李沃龍

在1993年12月哈伯的第一次維修任務時,太空人馬斯格瑞夫(Story Musgrave,在懸臂上)、霍夫曼(Jeffrey Hoffman,在太空梭酬載隔間中)與他們的同夥修好了哈伯望遠鏡不名譽的鏡片瑕疵,讓哈伯開始探索太空。

歷史上,鮮少有望遠鏡能像哈伯太空望遠鏡一樣,對天文研究造成如此深遠的影響。不過,它的影響並非如大多數人所想像的那樣。基本上,它並未造就任何只屬於它本身的發現;相反的,哈伯太空望遠鏡針對了來自地基天文台的線索與猜測,將其轉化成近乎真實的確切影像。它與其他天文台同心協力,為宇宙提供了彩色的視野。它也迫使理論學者重新思考更廣泛的理論,並建構新理論,盼能更詳盡地解釋天文現象。簡單地說,哈伯的深遠影響力並非源自它優異的儀器與技術,而主要來自於與其他望遠鏡的密切合作。

今年4月,哈伯望遠鏡在太空中度過它的16週年。它提供了天文學家前所未有的詳細資訊,並將遨遊宇宙的視野帶回地球,而這兩方面的成就,最近卻被有關於它未來何去何從的爭辯所遮掩。正當美國航太總署(NASA)掙扎著是否恢復太空梭的飛行任務時,哈伯的狀況仍在持續退化中;除非太空人能夠前往並修復它,否則哈伯最快在2008年間就會屆臨使用年限。這個轉折點促使我回顧並評估哈伯與天文學過去16年半的歷史,那是許多研究人員所認定為自己研究領域的黃金年代。

以下我將介紹我所選出的10個哈伯最引人注目的貢獻(當然免不了個人偏見),從行星般微小天體、進而到星系以至於宇宙整體之顯影中。要在一篇文章裡,公正評斷哈伯所有的貢獻是極為困難的。在撰寫本文的時候,它的檔案記錄已經包含了27兆位元的數據,並且還以每個月3900億位元資料的速度持續增加著。這些數據已成為6300篇科學論文的基礎。除此之外,太空望遠鏡持續不斷產生令人驚訝的科學結果。過去一年在與其他天文台合作之下,哈伯發現了冥王星的兩個新衛星;找到在早期宇宙中一個令人料想不到(而且非常弔詭)的大質量星系;還在一顆本身質量不超過行星的棕矮星旁,發現了一顆具有行星質量大小的伴星。我們應當慶幸生活在能首次見到各種宇宙景象的時代,從前的人們只能憑著想像來探索。

1.壯觀的彗星撞擊秀
從宇宙的觀點,修梅克–李維9號彗星撞擊木星是件小事:岩石態行星與衛星凹凸不平的表面,早已說明了太陽系就像個靶場。但從人類的觀點,這是個一生中絕無僅有的事件:平均每1000年才會發生一次像這樣彗星穿越並撞擊行星的事件。

修梅克–李維9號彗星死亡前一年,哈伯的影像顯示它已分裂成20幾塊碎片,像是一串珍珠。第一塊碎片在1994年7月16日猛力撞入木星大氣,其餘的碎片則在一週之內接踵而至。影像顯示出在木星的地平線上,升起類似核爆的蕈狀雲,並在之後的10分鐘內殞落星散,碰撞所留下的痕跡可持續幾個月。

這些稀有的影像固然價值非凡,但也引出了關於這個氣態巨行星成份的問題。在一處撞擊地點,波動以每秒450公尺的速度向外傳播。主要的解釋認為它們是以浮力為恢復力的重力波,就好像你試著強壓一塊木頭入水時,木頭會不斷浮沉般。若果真如此,則這些波動的性質暗示了傳遞波動的液態雲的氧氫比例,為太陽中的10倍。但如果像一些理論所假設的,木星是由太初的塵埃雲氣盤因重力機制而斷裂形成的,那麼它的成份應與氣盤相同──即與太陽相似。這矛盾至今仍然無解。

這張畫中所顯示的行星剪影,是科學家根據哈伯對其宿主恆星的亮度測量所推想出來的。







2.偵測太陽系外行星
2001年,美國天文學會要求行星科學家票選他們認為在過去10年裡最重大的發現。他們選出的是對太陽系外行星所做的偵測。今天,研究人員已知大約180個這類天體,其中大多數是由於地基望遠鏡觀測到因行星的重力牽引,造成了主星微弱不定的搖晃運動而推論得到。但是這類觀測僅提供了關於行星的極少量資訊:只有行星軌道的大小和橢圓率,與行星質量的下限。

哈伯接續觀測那些軌道面與我們視線排成一直線的行星系統,當它們週期性地自其主星前面掠過時,將會遮擋掉恆星所發出的部份光線,這種事件稱為「凌日」。哈伯對首度被發現的凌日行星「HD209458的伴星」所做的觀測,提供了所有太陽系外行星中最詳細的資料。它的質量比木星小30%,但直徑卻大上30%,可能是因為暴露在其母星的輻射轟擊下所造成的膨脹。該行星不具備環與衛星,因為如果行星周邊存在著寬環或衛星,哈伯的數據將可精準地揭露出來。最令人印象深刻的是,哈伯首度測量了環繞在其他恆星周遭的成份。該行星大氣含有鈉、碳與氧,而它的氫氣蒸散入太空,形成一條彗星般的尾巴。要在星系中搜尋生命的化學徵兆,這些觀測是必要的前導測量。

當超新星1987A所發出的震波與早已存在的氣環碰撞時,熱點即開始發出光芒。




3.追蹤恆星之死
當一顆恆星的質量介於太陽質量的8~25倍時,理論預測它將會以超新星爆發的形式結束生命。當恆星耗盡了可使用的燃料時,它會突然失去用以支撐它本身重量的慣有力量。它的核心將崩塌形成中子星,那是一個毫無生氣的超緻密恆星遺骸,而其外部氣層則以光速5%的速度向外彈出。

但是,要驗證這項理論卻非常困難,因為自1680年起銀河系內就不曾發生超新星爆發事件。在1987年2月23日,天文學家獲得了次佳的機會:銀河系的衛星星系「大麥哲倫雲」中,發生了一次超新星爆發。當時哈伯尚未發射升空,但在三年之後它開始追蹤此事件的進展。哈伯很快就發現了在爆炸恆星周遭,存在一個三環系統。中央的環看來是沙漏狀雲氣的細腰,而較大的圈圈則明顯是在爆炸前數萬年,該恆星就已經噴出的兩片淚珠狀雲瓣的邊緣。1994年哈伯開始觀測到中央環上一連串的亮點,這代表超新星的噴出物霹靂啪啦地撞上了環圈。對環圈的觀測,持續闡明了恆星的生命如何進入尾聲。

貓眼星雲是已知最複雜的行星狀星雲之一,一般認為這種雲氣是由瀕死的類日恆星所造成的。







不像大質量的恆星,同太陽一般大小的恆星,死狀就相對優雅得多。它們的非爆發性過程大約需要一萬年的時間,逐步彈射出其外部氣體殼層。當恆星中央高熱的核心裸露出來時,其輻射會游離噴出的氣體,發出絢麗奪目的鮮明綠光(游離氧激發)與紅光(游離氫)。這個結果稱為行星狀星雲,這是個常讓人誤解的名字。今天我們已知的行星狀星雲約有2000個左右。哈伯以無比的精細程度展現了它們極端複雜的外型。

有些星雲顯露出一組圓形標靶般的同心環結構,可能暗示噴發氣殼的過程並不連貫。奇怪的是,不連續噴發的間隔據推估大約是500年,但這段時間實在太長而不能以動力搏動(恆星因重力與氣體壓力間溫和的交互作用,而產生收縮與擴張的現象)來解釋,不過卻又短到無法用熱力搏動(恆星被驅向非平衡狀態)來描述。因此這些被觀測到的同心環之確實成因,目前並不清楚。


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